基于聯合仿真分析的復合材料尾門輕量化設計

柏宏 劉晶 彭丹 庫才旗

摘 要：復合材料的應用是實現汽車輕量化的主要途徑之一。目前常用的結構仿真軟件的材料模型無法準確表達復合材料零件各向異性的特性，為提高復合材料尾門仿真結果的準確性，本文基于Moldflow，Digimat和Abaqus的聯合仿真方法，進行復合材料尾門的輕量化設計。將聯合仿真和傳統仿真的結果與通過試驗獲得的結果進行對比分析，精度有了顯著的提升，驗證了聯合仿真技術的可靠性。

關鍵詞：尾門 復合材料 聯合仿真 輕量化

1 引言

隨著能源短缺、環境污染等問題的日益突出，汽車輕量化技術勢在必行。世界鋁業協會的報告指出，汽車的自身重量每減少10%，燃油的消耗可降低6%～8%[1]。汽車輕量化技術可以分為結構優化設計、輕量化材料的應用和先進制造工藝3個主要方面[2]。其中，纖維增強復合材料替代傳統鋼制件實現輕量化的開發成為汽車行業的新熱點之一。汽車的輕量化最終要分解落實到相關零部件的輕量化[3]。尾門結構是汽車的大型覆蓋件之一，在車身質量中占有較大比重。因此，將纖維增強復合材料用于尾門設計是實現尾門輕量化的重要途徑。

復合材料的使用給仿真分析帶來一定困難。傳統的結構仿真方法是假設材料是各向同性或正交各向異性，通過材料測試得到材料的力學特性，然后建立有限元模型進行仿真分析[4]。然而，復合材料呈現明顯的各向異性特性，現存結構仿真軟件的材料本構模型無法準確表達。注塑成型的塑料件，尤其是含玻纖的制品，受其成型工藝的影響必然會產生殘余應力、熔接線和纖維取向[5]。若結構分析時沒有充分考慮這些對產品性能的影響，最后得到的分析結果會偏離實際。換句話說，仿真失去了意義。為有效避免該問題，聯合仿真成為必然選擇。高曉東等人[6]對成型后的全塑輪胎進行聯合仿真分析，研究注射模具澆口的最優化設計。張立強等人[7]建立復合材料汽車前罩的多尺度聯合仿真模型進行剛度仿真，驗證了聯合仿真方法具有更高精度。

本文基于Moldflow-Digimat-Abaqus聯合仿真技術，以汽車復合材料尾門為研究對象，首先進行模流分析模擬其注塑成型過程，預測產品填充時間、流動前沿溫度、熔接線位置以及纖維取向等，然后將其映射到相應的有限元模型開展結構分析，實現對復合材料尾門更加真實可靠的仿真。

2 聯合仿真方法

傳統仿真方法假設材料呈均勻化分布，這樣得到的材料屬性與實際情況不符，甚至存在很大偏差，最后獲得的仿真結果無法有效對產品的實際設計與生產發揮指導性作用。隨著復合材料廣泛應用于汽車配件的制造，傳統仿真在精度方面已不能滿足復合材料研究需求，聯合仿真成為必然選擇。

目前的聯合仿真方法主要如下：（1） Autodesk公司的Simulation Mechanical軟件與Moldflow軟件可以實現無縫對接;（2）使用Moldex3D軟件進行模流分析，可以直接輸出各結構求解器格式類型的文件，然后再進行結構分析的邊界條件設置求解;（3）使用Autodesk Helius PFA軟件將模流分析軟件的分析結果映射到結構分析軟件中的分析模型上;（4）使用Digimat軟件將模流分析軟件的分析結果映射到結構分析軟件中相應的分析模型上[8]。

本文所采用的聯合仿真技術是基于模流分析軟件Moldflow、材料建模平臺Digimat以及結構性能分析軟件Abaqus的現代仿真技術，從微觀上纖維取向與分布對復合材料尾門宏觀上的力學性能有顯著影響的角度出發，綜合考慮了材料的各向異性特性、注塑成型工藝等因素進行復合材料尾門的輕量化設計。復合材料尾門聯合仿真流程如圖1所示，首先將尾門的三維模型導入Moldflow中，劃分工藝仿真網格，并模擬其注塑成型工藝過程，獲得尾門纖維分布及方向信息。然后由于工藝仿真網格與結構有限元網格有較大差異，應用Digimat-MAP模塊將纖維方向數據映射至Abaqus結構分析網格，獲得帶有纖維分布和方向信息的結構有限元網格，映射后結構有限元網格中的數值越大表示該位置處纖維方向的一致性越好。同時，通過Digimat-MF模塊建立復合材料各向異性材料模型，包含纖維質量分數、基體與纖維混合情況等信息，獲得不同纖維方向下的材料屬性。最后應用Abaqus對復合材料尾門進行結構性能的有限元仿真。

Digimat使用均勻化方法獲得尾門不同位置處的各向異性材料特性。該方法通過代表性體積單元RVE（Representative Volume Element）建立宏觀與微觀間的聯系[9]。第一步，基于Mori-Tanaka理論生成由相同纖維構成的顆粒。第二步，通過Voigt模型，得到RVE的等效材料屬性。

3 尾門內板模流分析

尾門一般分為內板、外板、加強板3部分[10]。其中，加強板是金屬件，外板填充物是滑石粉，只有內板是填充長玻纖，所以只有內板才需考慮材料的各向異性特性，故首先進行尾門內板模流分析。

3.1 分析前處理

通過軟件UG建立尾門內板的三維模型，如圖2所示，將其導入軟件Moldflow并劃分工藝仿真網格，如圖3所示。網格最大縱橫比小于6，滿足模擬分析要求。

尾門內板材料選用Chisso Petrochemical公司的PP+LGF30（聚丙烯+30%長玻璃纖維）。注塑成型工藝會直接影響尾門內板的成型質量，根據制品要求與材料屬性，設置工藝參數：模具表面溫度為45℃，熔體溫度為265℃，當控制條件充填體積達到99%時進行速度/壓力切換，填充壓力為100MPa，保壓控制條件為以80%以上充填壓力持續10s。其余參數采用Moldflow系統默認值。

3.2 模擬結果分析

當熔體前沿以近似相等的時間到達型腔的各個末端被視為良好的填充過程，而且填充時間決定了產品的生產效率。填充時間分析結果如圖4所示，充填時間大約1.937秒，整體填充順暢。

注塑成型過程中，熔體流動前沿溫度反映了制品溫度分布的合理性。溫差越小，成型質量越好。流動前沿溫度分析結果如圖5所示，產品大表面料流動前沿溫度比較均勻，最高溫和最低溫相差1.7℃，滿足要求。

注塑件的收縮行為會影響產品的最終尺寸和形狀。體積收縮率分析結果如圖6所示，體積收縮整體較均衡，集中在3%～6%，僅在澆口位置附近產品的體積收縮率相對較大，應注意加強冷卻，及增加保壓時間。

注塑成型過程中，由于澆口位置的不同，熔體從各澆口流向同一位置時流向不同會產生纖維取向不一致的問題。這會影響材料各向異性特性，并導致制品不同區域的材料性能差別很大。纖維取向結果如圖7所示。

其余一些分析結果如下：注塑最大壓力應低于60MPa，產品填充的最大注塑壓力為37.04Mpa，壓力適中，適合生產;最大鎖模力為2186T，鎖模力不應超過注塑機的最大鎖模力7000t，滿足要求;在筋位，卡口，熔接線處存在困氣現象，應當采取相應措施改善排氣，以加強其流動性;兩股料流交匯處會產生熔接線，熔接線會影響成品的整體性。應避免在應力集中處，同時盡量增大熔接線匯合角;分析結果顯示產品變形較均勻，局部變形相對較大，注意在實際成型時要加強冷卻，通過后續分段保壓能很大的改善產品的變形量。

4 尾門性能分析

4.1 分析前處理

通過Digimat軟件中的MF模塊建立30%玻纖增強聚丙烯復合材料模型，并通過Digimat軟件中的Map模塊將尾門模流分析所獲得的纖維取向與分布信息映射到Abaqus結構分析網格中，實現不同類型網格之間的信息變換。再通過Abaqus軟件中的Digimat模塊將材料模型和模流分析結果同時導入[11]。最后，利用Digimat軟件中的CAE功能使Moldflow、Digimat以及Abaqus連接起來，通過非線性多維模擬準確仿真尾門的橫向剛度。

如圖8所示，尾門橫向剛度有限元模型的約束方式是： 鉸鏈車身側安裝孔約束六個方向自由度（即完全約束），鎖芯約束Z方向移動自由度。加載條件是：鎖芯加載Y向500N作用力。分析結果讀取加載點Y向最大加載位移和卸載位移。

4.2 仿真結果分析

聯合仿真與常規仿真得到的尾門橫向剛度分析結果如圖9所示。同時，為驗證聯合仿真技術的可靠性，將聯合仿真與常規仿真得到的分析結果與通過試驗獲得的結果進行對比分析，結果如表1所示。

試驗中，加載點Y向最大加載位移為45.48mm。橫向剛度聯合仿真分析中，最大加載位移為38.46mm，是試驗結果的84.56%。橫向剛度常規仿真分析中，最大加載位移為24.09mm，是試驗結果的52.97%。對比聯合仿真和常規仿真的分析結果，可知聯合仿真的分析結果更具有有效性和可靠性。這是因為傳統仿真過程中，材料屬性默認為均勻化分布，而聯合仿真充分考慮尾門材料的各向異性特性，使得材料屬性更加接近真實材料。

5 總結

本文在考慮材料各向異性影響情況下，基于聯合仿真技術對復合材料尾門進行橫向剛度仿真，并將聯合仿真結果和傳統仿真方法得到的結果與通過試驗獲得的結果進行對比分析，獲得以下結論：

（1）基于Moldflow-Digimat-Abaqus的聯合仿真技術對復合材料尾門橫向剛度進行仿真，可以考慮復合材料各向異性對尾門橫向剛度結果的影響;

（2）橫向剛度聯合仿真分析中，最大加載位移為38.46mm，是試驗結果的84.56%。橫向剛度常規仿真分析中，最大加載位移為24.09mm，是試驗結果的52.97%。這說明復合材料注塑成型過程中，微觀纖維取向及分布情況是制品宏觀力學性能的關鍵因素;

（3）使用聯合仿真分析方法對復合材料進行仿真分析所得到的結果更具有效性和可靠性，這為復合材料產品的性能預測提供了重要的參考價值和現實意義。

柳州市科學研究與技術開發計劃（柳科計字2017第19號）資助項目。項目名稱：汽車纖維增強塑料覆蓋件設計制造關鍵技術研究與產品開發（2017AA10104）。

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